CN110430600A - 一种无线片上网络中基于错误避免策略的高效容错方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无线片上网络中基于错误避免策略的高效容错方法，其步骤包括：1电压频率岛划分；2电压频率岛模式划分；3电压频率岛模式切换。本发明可以实现基于网络实时状态的电压频率调节，进而达到减少故障发生的目的，并以较小的面积和功耗开销，在保证数据可靠传输的前提下，较为明显的提升了网络性能。
Description
技术领域
本发明属于集成电路芯片设计的应用技术领域，特别是一种无线片上网络中基于错误避免策略的高效容错方法。
背景技术
无线片上网络(Wireless Network-on-chip，WiNoC)通过在NoC中引入长距离通信的无线链路，使得WiNoC具有高吞吐率、低延时、高可扩展性等优点。然而WiNoC中数据传输的可靠性面临巨大挑战。美国伊利诺伊大学的Ming Zhang指出数据链路上的瞬时故障是NoC中最突出的错误来源。基于毫米波的无线链路的比特错误率(Bit Error Rate，BER)(约为)远高于传统的金属有线链路(约为)，严重影响网络通信的可靠性。因此，针对WiNoC中链路瞬时故障探索有效的容错机制刻不容缓。
集成电路中的瞬时故障多是由于串扰、电磁干扰、α粒子碰撞等因素造成的单个或者多个比特位翻转。对于此类故障，常用的容错方案主要分为：基于纠错编码的前向纠错(FEC,Forward Error Correction)和基于检错编码的自动重传请求(Automatic Repeat-reQuest，ARQ)。然而在NoC系统中，系统的可靠性提高通常是以牺牲部分性能和功耗为代价的。在FEC方式中，通过在发送端对将要发送的数据进行编码，在接收端通过相应的解码电路对原始数据进行错误容忍。然而FEC方式也存在编码电路复杂，通信效率低，容错能力有限等缺点难以适应于大规模数据通信。基于检错编码的数据重传方式，通过在接收端对数据进行错误检测，判断数据是否在传输过程中出现错误，若检测到错误则通知发送端进行数据重传。虽然对瞬时故障具有良好的容错能力，但是在BER较高时，众多的重传数据会带来巨大的功耗和延时开销，严重降低网络通信性能。
在WiNoC中，无线链路BER与有线链路BER有较大差异，且容易随着环境变化而变化。由此，WiNoC中容错环境呈现多样性、不确定性等特点，传统的容错方案难以满足当前WiNoC通信可靠性需求。加之，在WiNoC中无线链路承担着大量的通信负载，且拥有较高的BER，传统的容错技术都会增加额外的通信负载，进而引起网络性能降级。可以预见，未来的WiNoC容错设计必将综合考量无线通信的可靠性、功耗、性能等因素，并最终在这三者之中进行权衡。
美国伊利诺伊大学的Ming Zhang对集成电路中的故障进行了深入研究，并指出瞬时故障已经成为集成电路中故障的主要来源之一。文献指出无线链路BER(约为)远高于有线链路BER。由此可见，针对无线链路进行容错显得尤为重要。美国华盛顿州立大学的Pullman指出无线链路在WiNoC中承担了较大的通信负载，极易在无线路由器处发生拥塞现象，严重影响网络通信能力。由此，如何权衡容错、延时以及功耗之间的关系成为WiNoC可靠性设计的关键问题。目前无线链路瞬时故障容错领域是一个伴随着WiNoC的发展而出现的一个新兴的研究领域。相对应的容错技术大多采用以往常用的FEC技术或者基于检错码的重传技术。美国伊利诺伊大学大学的S.R.Sridhara针对集成电路中的瞬时故障提出了一种基于FEC的容错方案，然而复杂的编、译码电路会引起大量的功耗开销，同时额外的校验信息也增加了数据的通信负载。基于检错码的重传技术在有线链路中提供了良好的容错性能，然而由于无线链路固有的高BER以及承担的极高的通信负载，这种容错技术在无线链路中可能由于大量的重传数据造成网络性能的严重降级。传统的基于错误恢复策略的容错方案在WiNoC中，都会由于错误恢复而产生的额外通信数据加剧WiNoC中无线路由器的拥塞程度，进而降低网络通信能力，影响网络性能。由此，探索新的合理有效的容错方案成为片上网络研究的迫切需求。
发明内容
本发明为了克服现有技术存在的不足之处，提出一种无线片上网络中基于错误避免策略的高效容错方法，以期能实现基于网络实时状态的电压频率调节，在不引起网络性能降级的基础上保证无线通信的可靠性，从而优化网络性能，达到减少故障发生的目的。
本发明为解决技术问题采用如下技术方案：
本发明一种无线片上网络中基于错误避免策略的高效容错方法的特点是按如下步骤进行：
步骤1、电压频率岛的划分：
步骤1.1、将所有的无线路由器划分为一个电压频率岛，所有的有线路由器划分为另一个电压频率岛；
步骤1.2、将同一电压频率岛内的路由器设置为相同的电压和频率；
步骤2、电压频率岛的模式划分：
将无线路由器所在的电压频率岛划分为四种模式，包括：S0模式、S1模式、S2模式和S3模式；
步骤3、电压频率岛的模式切换：
步骤3.1、将无线路由器所在电压频率岛的模式设置为S0模式；
步骤3.2、若无线路由器之间的拥塞度高于阈值C并且误码率低于阈值T时，则执行步骤3.3至步骤3.4，其中0<C<1，0<T<1；
若无线路由器之间的拥塞度低于阈值C并且误码率高于阈值T时，则执行步骤3.5至步骤3.6；
若无线节点之间的拥塞度高于阈值C并且误码率高于阈值T时，则执行步骤3.7至步骤3.8；
步骤3.3、将所述无线路由器所在电压频率岛设置为S1模式；
步骤3.4、若无线节点之间的拥塞度低于阈值C并且误码率低于阈值T，则执行步骤3.1至步骤3.2；
若无线节点之间的拥塞度高于阈值C且误码率高于阈值T，则执行步骤3.7至步骤3.8；
步骤3.5、将无线路由器所在电压频率岛设置为S2模式；
步骤3.6、若无线节点之间的拥塞度低于阈值C并且误码率低于阈值T，则执行步骤3.1至步骤3.2；
若无线节点之间的拥塞度高于阈值C且误码率高于阈值T，则执行步骤3.7至步骤3.8；
步骤3.7、将无线路由器所在电压频率岛设置为S3模式；
步骤3.8、若无线节点之间的拥塞度低于阈值C且误码率低于阈值T，则执行步骤3.1至步骤3.2；
若无线节点之间的拥塞度低于阈值C且误码率低于阈值T，则执行步骤3.3至步骤3.4；
若无线节点之间的拥塞度高于阈值C且误码率低于阈值T，则执行步骤3.5至步骤3.6。
本发明所述的高效容错方法的特点也在于：
所述S0模式的电压和频率分别为(a0,b0)；
所述S1模式的电压和频率分别为(a1,b1)；
所述S2模式的电压和频率分别为(a2,b2)；
所述S3模式的电压和频率分别为(a3,b3)；
其中，0<a0<a1＝a2<a3；0<b0＝b1<b2<b3。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
1、相比现有的容错方案，本发明从故障避免的角度进行错误容忍，降低了故障发生的概率，以较小的面积和功耗开销为代价，在保证数据可靠传输的前提下，取得了明显的网络性能提升。
2、本发明从对于WiNoC中出现的通信可靠性问题，相比传统基于错误恢复策略的容错解决方案提出了一种全新的容错方式，从故障避免的角度对瞬时故障进行容错，丰富了无线通信容错理论。
3、本发明从设计了一种实时的动态电压/频率转换机制，相比以往的容错解决方案，在不引起网络性能降级的基础上，保证了无线通信的可靠性。
4、对本发明进行可行性论证的同时，也对适用于无线链路的V/F进行了深入论证，丰富了无线链路研究素材。
附图说明
图1是本发明中展示电压频率岛划分的WiNoC网络拓扑示意图；
图2是本发明中的双度量模式转换示意图；
图3是本发明中电压频率对应关系图。
具体实施方式
本实施例中，一种基于错误避免策略的高效容错方案：是根据无线链路与有线链路拥塞程度以及比特错误率的差异，将所有的无线路由器划分为一个电压频率岛，将所有的有线路由器划分为同一个电压频率岛；在无线链路比特错误率较高时，提高无线路由器所在电压频率岛的电压；在无线链路拥塞程度较高时，提高无线路由器所在电压频率岛的频率；在无线链路比特错误率以及拥塞程度都较高时，同时提高无线路由器所在电压频率岛的电压和频率。具体的说，是按如下步骤进行：
步骤1、电压频率岛的划分：
步骤1.1、将所有的无线路由器划分为一个电压频率岛，所有的有线路由器划分为另一个电压频率岛；
步骤1.2、将同一电压频率岛内的路由器设置为相同的电压和频率；
如图1所示为本发明的电压频率岛划分示意图。图1中“BR”为基础路由器节点，深“WR”为无线路由器节点，本发明将所有的基础路由器节点划分为一个电压频率岛，将所有无线路由器节点划分为另一个电压频率岛，岛内路由器节点具有相同的电压和频率，不同岛之间可以有不同的电压以及频率。
步骤2、电压频率岛的模式划分：
将无线路由器所在的电压频率岛划分为四种模式，包括：S0模式、S1模式、S2模式和S3模式；
S0模式的电压和频率分别为(a0,b0)；
S1模式的电压和频率分别为(a1,b1)；
S2模式的电压和频率分别为(a2,b2)；
S3模式的电压和频率分别为(a3,b3)；
其中，0<a0<a1＝a2<a3；0<b0＝b1<b2<b3；
本发明根据无线路由器所在电压频率岛中的电压和频率将其划分为4种模式，各个模式详细描述如下：
1、S0模式：在此模式下，整个无线路由器所在电压频率岛中电压和频率都处于较低水平。各个无线节点中没有拥塞发生同时也几乎没有错误flit产生。
2、S1模式：在此模式下，各个无线节点中没有发生拥塞，无线链路之间flit传输错误率较高，整个无线路由器所在电压频率岛相比S0模式电压升高，频率不变。
3、S2模式：在此模式下，无线链路之间flit传输错误率较低，无线节点之间发生了拥塞，整个无线路由器所在电压频率岛相比S0模式电压不变，频率升高。
4、S3模式：在此模式下，无线链路之间flit传输错误率较高，无线节点之间也发生了拥塞，整个无线路由器所在电压频率岛相比S0模式既升高电压，也升高频率。
当前的集成电路设计可以在10-15的比特错误率下，实现频率在0.125GHz到1GHz之间进行转换，相应电压范围为0.9V到2.5V。实验表明，设定S0状态下电压/频率为(0.125GHz，0.9V)，S1状态下电压/频率为(0.125GHz，1.5V)，S2状态下电压/频率为(0.43GHz，1.5V)，S3状态下电压/频率为(0.7GHz，2.5V)，本发明方法可以节省大量功耗。
如图3为本发明中电压以及频率对应关系图。在一定的可靠性约束条件下，对于特定频率来说，必然存在一个最小的供电电压，当供电电压低于此最小值时，系统中的错误发生概率急剧增加。而供电电压又对系统功耗有巨大影响，为了在不影响系统可靠性的基础上，尽可能的提升系统的整体性能，本发明建立了多级电压/频率模型。该模型将电压/频率等级划分为十个对应的离散等级。在每个频率等级，柱形图顶点为无线节点保证通信可靠性的最小值。相连电压/频率等级的转换都是孤立的，即其中任意电压、频率等级无需中间过渡可以之间转换为对应电压/频率。当电压/频率进行切换时，如果需要同时提高电压和频率，必须先升高电压，最后升高频率，以保证通信可靠性。相反，如果需要同时降低电压和频率，首先要降低频率，然后降低电压。若当前电压满足频率转换前后对最低供电电压的需求，则只对频率进行调节。
步骤3、电压频率岛的模式切换：
步骤3.1、将无线路由器所在电压频率岛的模式设置为S0模式；
步骤3.2、若无线路由器之间的拥塞度高于阈值C并且误码率低于阈值T时，则执行步骤3.3至步骤3.4，其中0<C<1，0<T<1；
若无线路由器之间的拥塞度低于阈值C并且误码率高于阈值T时，则执行步骤3.5至步骤3.6；
若无线节点之间的拥塞度高于阈值C并且误码率高于阈值T时，则执行步骤3.7至步骤3.8；
步骤3.3、将无线路由器所在电压频率岛设置为S1模式；
步骤3.4、若无线节点之间的拥塞度低于阈值C并且误码率低于阈值T，则执行步骤3.1至步骤3.2；
若无线节点之间的拥塞度高于阈值C且误码率高于阈值T，则执行步骤3.7至步骤3.8；
步骤3.5、将无线路由器所在电压频率岛设置为S2模式；
步骤3.6、若无线节点之间的拥塞度低于阈值C并且误码率低于阈值T，则执行步骤3.1至步骤3.2；
若无线节点之间的拥塞度高于阈值C且误码率高于阈值T，则执行步骤3.7至步骤3.8；
步骤3.7、将无线路由器所在电压频率岛设置为S3模式；
步骤3.8、若无线节点之间的拥塞度低于阈值C且误码率低于阈值T，则执行步骤3.1至步骤3.2；
若无线节点之间的拥塞度低于阈值C且误码率低于阈值T，则执行步骤3.3至步骤3.4；
若无线节点之间的拥塞度高于阈值C且误码率低于阈值T，则执行步骤3.5至步骤3.6。
本实施例中无线路由器所在电压频率岛按如下方式进行模式切换如表1所示：
表1状态转换表
| S0 | S1 | S2 | S3 | |
| S0 | - | c<C&&t>T | c>C&&t<T | c>C&&t>T |
| S1 | c<C&&t<T | - | - | c>C&&t>T |
| S2 | c<C&&t<T | - | - | c>C&&t>T |
| S3 | C<C&&t<T | C<C&&t>T | c>C&&t<T | - |
如表1所示，电压频率岛的各个模式之间具有相对应的电压与频率，不同模式对应不同的链路状态，且其电压和频率都不相同。本发明引入C和T两个阈值分别进行拥塞以及flit错误率度量，并以此作为模式切换依据。其中C为拥塞度阈值，T为数据传输错误率阈值。无线路由器所在电压频率岛最初处于S0模式，当无线节点之间发生了拥塞但是无线链路之间flit传输错误率较低(即c>C且t<T)时，无线路由器所在电压频率岛由模式S0切换为模式S2；当无线节点之间未发生拥塞但是无线链路之间flit传输错误率较高(即c<C且t>T)时，无线路由器所在电压频率岛由模式S0切换为模式S1；当无线节点之间发生拥塞并且无线链路之间flit传输错误率较高(即c>C且t>T)时，无线路由器所在电压频率岛由模式S0切换为模式S3；当无线路由器所在电压频率岛处于模式S1时，若无线链路传输错误率逐渐恢复为正常状态并且无线节点之间未发生拥塞(c<C且t<T)，无线路由器所在电压频率岛由模式S1切换为S0；若无线节点之间出现拥塞(c>C且t>T)，无线路由器所在电压频率岛由模式S1切换为S3.当无线路由器所在电压频率岛处于模式S2是，若无线节点之间拥塞状态逐渐缓解且无线链路传输错误率较低(c<C且t<T)，无线路由器所在电压频率岛由模式S2切换为模式S0；若无线链路之间传输错误率急剧增加(c>C且t>T)，无线路由器所在电压频率岛由模式S2切换为S3。当无线路由器所在电压频率岛处于模式S3时，若无线链路之间传输错误率基本保持稳定但是无线界定啊之间拥塞状态缓解，无线路由器所在电压频率岛由模式S3切换为模式S1；若无线链路之间传输错误率降低但是无线节点之间仍然拥塞(c>C且t<T)，无线路由器所在电压频率岛由模式S3切换为模式S2。
本发明硬件实现如图2所示。主要在无线路由器的无线接口处添加了故障计数器(RC)，拥塞度计数器(BC)，错误检测模块(ECC)，重传控制模块(RES)。RC为计时器主要用来度量窗口时间的数据包故障率，BC为计数器用来度量无线接口拥塞状态，ECC为错误检测模块用于对无线接口接收的数据微片进行错误检测，RES为重传控制模块，主要用于ACK信号生成以及重传信号的发送。待发送数据通过多路选择器MUX发送的同时将待发送数据发往Retransmit buffer，多路选择器在控制信号C的控制下选择重传数据或者待发送数据进行发送，数据接收方通过与无线收发器耦合的ECC错误检测模块对错误进行检测，并将错误检测结果提交RCS，RCS根据错误检测结果向生成相应的ACK信号或者重传控制信号。Retransmit buffer根据RCS进行数据重传。RC模块由计数器与计时器耦合设计，通过测度单位时间内flit故障率，比较其是否超过阈值，进而通过控制信号C1控制系统中的模式切换。由于单个的flit故障具有偶然性，通过测度一百个数据包中发生错误的数据包的个数来刻画flit故障率的阈值，以此避免由于随机误差带来的系统性能开销。BC模块由计数器电路与加法电路耦合而成，通过实时测度无线链路的链路利用率，进而通过控制信号C2控制系统中的模式切换。
本发明采用无线路由器中无线缓冲区的状态来度量无线链路的拥塞状态，若无线缓冲区中非空闲缓冲区数量超过缓冲区总量的75％，即C设置为0.75，则定义为无线链路拥塞，此时提升无线链路所在电压频率岛的频率，提高网络吞吐量。
一般的，采用数据包错误率作为网络中可靠性程度的度量，其定义如下：
其中，PR表示数据包错误率，B(t)表示第t个数据包是否发生错误，其值为0或者1，H表示观察的数据包的总个数。数据包错误率是衡量链路可靠性程度的一个直接指标，若无线链路中数据包错误率高于0.1，即设定T为0.1，则定义为无线链路误码率较高，需要配置一个较高的电压，以降低无线链路误码率，相反，较低的数据包错误率表明该链路近期可靠性程度较高，可以通过降低电压的方式节约系统功耗。
Claims (2)
1.一种无线片上网络中基于错误避免策略的高效容错方法，其特征是按如下步骤进行：
步骤1、电压频率岛的划分：
步骤1.1、将所有的无线路由器划分为一个电压频率岛，所有的有线路由器划分为另一个电压频率岛；
步骤1.2、将同一电压频率岛内的路由器设置为相同的电压和频率；
步骤2、电压频率岛的模式划分：
将无线路由器所在的电压频率岛划分为四种模式，包括：S0模式、S1模式、S2模式和S3模式；
步骤3、电压频率岛的模式切换：
步骤3.1、将无线路由器所在电压频率岛的模式设置为S0模式；
步骤3.2、若无线路由器之间的拥塞度高于阈值C并且误码率低于阈值T时，则执行步骤3.3至步骤3.4，其中0<C<1，0<T<1；
若无线路由器之间的拥塞度低于阈值C并且误码率高于阈值T时，则执行步骤3.5至步骤3.6；
若无线节点之间的拥塞度高于阈值C并且误码率高于阈值T时，则执行步骤3.7至步骤3.8；
步骤3.3、将所述无线路由器所在电压频率岛设置为S1模式；
步骤3.4、若无线节点之间的拥塞度低于阈值C并且误码率低于阈值T，则执行步骤3.1至步骤3.2；
若无线节点之间的拥塞度高于阈值C且误码率高于阈值T，则执行步骤3.7至步骤3.8；
步骤3.5、将无线路由器所在电压频率岛设置为S2模式；
步骤3.6、若无线节点之间的拥塞度低于阈值C并且误码率低于阈值T，则执行步骤3.1至步骤3.2；
若无线节点之间的拥塞度高于阈值C且误码率高于阈值T，则执行步骤3.7至步骤3.8；
步骤3.7、将无线路由器所在电压频率岛设置为S3模式；
步骤3.8、若无线节点之间的拥塞度低于阈值C且误码率低于阈值T，则执行步骤3.1至步骤3.2；
若无线节点之间的拥塞度低于阈值C且误码率低于阈值T，则执行步骤3.3至步骤3.4；
若无线节点之间的拥塞度高于阈值C且误码率低于阈值T，则执行步骤3.5至步骤3.6。
2.根据权利要求1所述的高效容错方法，其特征是：
所述S0模式的电压和频率分别为(a0,b0)；
所述S1模式的电压和频率分别为(a1,b1)；
所述S2模式的电压和频率分别为(a2,b2)；
所述S3模式的电压和频率分别为(a3,b3)；
其中，0<a0<a1＝a2<a3；0<b0＝b1<b2<b3。
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| AMIR-MOHAMMAD RAHMANI等: "Developing reconfigurable FIFOs to optimize power/performance of Voltage/Frequency Island-based networks-on-chip", 《13TH IEEE SYMPOSIUM ON DESIGN AND DIAGNOSTICS OF ELECTRONIC CIRCUITS AND SYSTEMS》, 24 June 2016 (2016-06-24) * |
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| 欧阳一鸣等: "无线片上网络高性能EMS容错方案设计", 《仪器仪表学报》 * |
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